Pasożytnicze grzyby, które powodują więdnięcie i umieranie roślin, atakują różne uprawy, doprowadzając do ich spustoszenia
Istnieje ponad 120 rodzajów grzybów z gatunku Fusarium oxysporum (Fo), z których każdy dostosował się do atakowania określonej rośliny. Powodują one gigantyczne straty ekonomiczne na całym świecie. „Niedawno odkryty szczep, Tropical Race 4, może doprowadzić do całkowitego zniszczenia globalnej uprawy bananów”, mówi Antonio Di Pietro, koordynator projektu i profesor genetyki na Uniwersytecie w Kordobie.
Interakcja cząsteczek pasożytniczych z żywicielem
Zespół projektu zbadał interakcję Fo u czterech różnych gatunków roślin: pomidorów, bananów, modelowej rośliny Arabidopsis i pierwotnej rośliny lądowej, porostnicy wielokształtnej (Marchantia polymorpha). „Pozwala nam to identyfikować ewolucyjnie zachowane mechanizmy leżące u podstaw poszczególnych etapów zakażenia wywołanego przez grzyb Fusarium oxysporum podczas interakcji z różnymi żywicielami”, wyjaśnia Di Pietro. Prace badawcze w ramach projektu zostały zrealizowane dzięki wsparciu z działania „Maria Skłodowska-Curie”. Jakiś czas temu zespół badawczy odkrył mechanizm chemotropowej detekcji, za pomocą którego ten grzyb lokalizuje rośliny w glebie i rośnie w kierunku chemoatraktantów uwalnianych przez korzenie. Następnie pasożyt rośnie bez żadnych objawów w korze pierwotnej i kolonizuje jej tkankę przewodzącą, co często prowadzi do śmierci rośliny. Drugi rodzaj wzajemnego oddziaływania zachodzi, kiedy grzyb rośnie między komórkami kory pierwotnej korzenia, czyli w apoplaście. Di Pietro tłumaczy: „Korzystając z proteomiki odkrywczej, szukamy kluczowych cząsteczek sygnałowych obu stron, które prawdopodobnie kształtują roślinny dialog molekularny”.
Unikanie układu odpornościowego roślin kluczem do skutecznego zakażenia
Zespół projektu FOUNDATION zapewnił bezprecedensowy wgląd we wczesne etapy zakażenia i dialog molekularny z kilkoma żywicielami. Rozpoznał na przykład cząsteczki patogeniczności (efektory), które odpowiadają za kompatybilność pomiędzy grzybem a rośliną. Ich uwalnianie zwiększa zjadliwość patogenu, dlatego naukowcy postanowili przyjrzeć się bliżej porostnicy wielokształtnej (M. polymorpha), nowo opracowanemu modelowi systemu zakażenia. Amey Redkar, stypendysta działania „Maria Skłodowska-Curie”, mówi: „Chcemy określić funkcję białek wirulencji rozpoznanych u tej pradawnej, pozbawionej tkanki przewodzącej rośliny lądowej, aby móc wyjaśnić rozwój białek efektorowych patogenów”.
Zastosowania pozwalające zwiększyć odporność na zakażenie innych upraw
Dowody uzyskane przez naukowców w ramach projektu FOUNDATION sugerują, że monogeniczna odporność na Fo opiera się na molekularnym rozpoznaniu cząsteczek grzyba przez określone receptory rośliny żywicielskiej. Następnie uruchamiana jest jej odpowiedź immunologiczna. Patogeny mogą jednak zmieniać swoje cząsteczki lub atakować system obronny rośliny za pomocą specyficznych białek efektorowych hamujących odpowiedź immunologiczną. Szczegółowa wiedza na temat „wyścigu zbrojeń” między grzybem Fo a jego żywicielami powinna wskazać nowe strategie odporności. Projekt FOUNDATION zaowocował powstaniem nowych, wielkoskalowych zestawów danych stanowiących cenne źródło wiedzy dla społeczności naukowej. „Co więcej, możemy teraz badać proteom apoplastyczny korzenia podczas zakażenia Fo”, kontynuuje Di Pietro. Do tej pory rzadko udawało się przeprowadzić profilowanie białek oparte na aktywności (ang. activity-based protein profiling, ABPP) obejmujące interakcje korzeń–grzyb, choć może ono pomóc w odkryciu brakujących części kaskad molekularnych umożliwiających rozwój trwałej odporności.
Wielomodelowe podejście wynikające z ograniczeń metodologicznych
Zdobycie wystarczającej ilości biomasy grzybowej pozwalającej na odkrycie sygnałów wysyłanych przez grzyby stanowi spore wyzwanie, dlatego wielomodelowy system żywiciela opracowany w ramach projektu FOUNDATION ma kluczowe znaczenie. Na przykład pomidor-Fusarium to dobrze poznany system, który umożliwia uzyskanie dużej ilości biomasy korzeniowej do analizy biochemicznej. „Przeprowadziliśmy ponadto profilowanie ABPP białek patosystemu banan-Fusarium, co stanowi kolejne wyjątkowe osiągnięcie”, dodaje Redkar. Jednocześnie pozwoliło to na przeprowadzenie walidacji krzyżowej wyników badań różnych roślin uprawnych. Stosowanie środków grzybobójczych w glebie jest obecnie zabronione na większości obszarów rolnych, w związku z czym zwiększenie odporności roślin jest najbardziej skutecznym sposobem walki z tymi niszczycielskimi i trudnymi do opanowania chorobami. Di Pietro podsumowuje: „Projekt FOUNDATION dostarczył kluczowych informacji na temat biologii molekularnej więdnięcia naczyniowego oraz przyniósł nowe możliwości w zakresie hodowli odpornych odmian roślin”.
Słowa kluczowe
FOUNDATION, roślina, grzyb, odporność, więdnięcie, biotroficzny, Fusarium oxysporum, odpowiedź immunologiczna, układ immunologiczny, hodowla odpornych odmian roślin
